硅粉在PHC管桩混凝土中应用的试验研究

张亚琴 张宜兵 周郁兵（中交三航局第三工程有限公司第一工程处）

硅粉在PHC管桩混凝土中应用的试验研究

张亚琴 张宜兵 周郁兵
（中交三航局第三工程有限公司第一工程处）

通过硅粉在PHC管桩混凝土中的试验，研究了不同掺量的硅粉对混凝土的工作性、抗压强度、劈裂抗拉强度、电通量的影响。试验结果表明：在混凝土中掺入适量的硅粉，可以改善混凝土的工作性、提高混凝土的力学性能和抗氯离子的渗透能力，本文为硅粉在PHC管桩混凝土中的应用提供了试验的依据。

硅粉；PHC管桩混凝土；应用；试验

1 前言

硅粉是在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸汽经过氧化后，从电弧炉烟气中收集得到的无定型、氧化硅含量很高的微细球形颗粒，学名“硅灰”。

硅粉的颗粒越细，SiO2含量越高，对混凝土性能的改变效果越明显。硅粉的平均粒径一般在0.15-0.20μm，为水泥颗粒直径的1/100，所以硅粉能高度分散于混凝土中，填充在水泥颗粒之间而提高密实度；同时硅粉具有很高的活性，相对与矿粉能更快更全面的与水泥水化产生的 Ca(OH)2发生二次水化反应，生成 C-S-H凝胶体。

在混凝土中掺入少量硅粉，并结合外加剂、矿物掺合料的作用能显著改善混凝土的性能，如：改善混凝土的坍落度、提高混凝土早期或后期的强度，降低氯离子的渗透能力，提高混凝土的抗腐蚀和耐磨等作用。目前硅粉已经在黄河小浪底、葛洲坝、东海大桥等多个工程中得到了应用，并取得了良好的效益。所以，我们围绕着硅粉在C80PHC管桩混凝土中应用进行试验研究。

2 硅粉在混凝土中的工作原理

硅粉运用于混凝土中填充颗粒空隙，改善水泥、骨料的组织结构，提高体积密度和降低孔隙率。同时硅粉在混凝土中具有火山灰反应效应，水化形成的富硅凝胶，强度高于Ca(OH)2晶体，与水泥水化凝胶C-S-H共同工作。

3 原材料的准备

表1 水泥性能指标

3.1 水泥

镇江句容台泥水泥有限公司，P□Ⅱ52.5R，具体性能指标见表1。

表2 矿渣粉性能指标

3.2 矿渣粉

安徽马钢嘉华新型建材有限公司，S95级，具体性能指标见表2。

3.3 砂

江西赣江，中砂，Mx=2.8。

3.4 碎石

南京六合，玄武岩，5～25mm连续级配碎石。

3.5 外加剂

上海华登，HP400(H)，高性能聚羧酸减水剂（标准型）。

3.6 硅粉

上海天凯硅粉材料有限公司，其物理性能指标见表3。

表3 硅粉的物理性能指标

3.7 水饮用水。

4 试验方案

表4 C80混凝土配合比（kg/m3）

4.1 试验所用方法标准：

《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011

《水运工程混凝土试验规程》JTJ270-98

《水运工程混凝土质量控制标准》JTS202-2-2011

4.2 试验方法

按照《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，保持总胶凝材料用量和矿粉掺量不变，按照硅粉掺量0%、4%、7%、10%、13%分别配置5组不同配合比，具体见表4；养护方式采用PHC管桩常压蒸养后标准养护。

4.3 试件制作

2014.04 ～2014.05共进行5次试验，每次按照下面数量成型试件。

4.2.1 抗压强度试块制作

按照《水运工程混凝土试验规程》，采用边长为100mm×100mm×100mm的试件，按照硅粉掺量分为5组试件，每组按照1d、3d、28d三个养护龄期，制作抗压强度试块45块。

4.2.2 劈裂强度试块制作

按照《水运工程混凝土试验规程》的规定，采用边长为 100mm×100mm× 100mm的试件，按照硅粉掺量分为5组试件，每组按照1d、3d、28d养护龄期，制作劈裂可抗拉强度试块45块。

4.2.3 电通量试块制作

按照《 水运工程混凝土质量控制标准》的规定，采用尺寸100mm×51mm标准试件，按照硅粉掺量分为5组试件，28d养护龄期，制作电通量试块15块。

硅粉混凝土的拌合及试件制作见图1。

5 试验结果与分析

表5 混凝土坍落度

5.1 试验结果

5.1.1 坍落度

按照《水运工程混凝土试验规程》的规定，分别测定不同方案的混凝土的坍落度，试验结果见表5和图2。

图2 不同硅粉掺量混凝土坍落度

试验结果表明，坍落度随着硅粉掺量的增加先有小幅度的增大，后又有大幅度减小的趋势。掺量7%时，混凝土的坍落度达到最大200mm，混凝土的和易性、骨料包裹性、粘聚性均很好，测坍落度时坍落度筒底部无水及浆体析出。硅粉掺量13%时，坍落度达到最低值130mm。

5.1.2 抗压强度

按照《水运工程混凝土试验规程》的规定，分别测定各方案、不同龄期的混凝土抗压强度。具体数据见表6及图3。

表6 混凝土抗压强度

图3 不同硅粉掺量混凝土抗压强度

表7 混凝土劈裂抗拉强度

试验结果表明，混凝土的强度随硅粉掺量的增大而增大；但掺量大于7%之后，强度的增长幅度不明显。硅粉掺量为7%时，1d、3d和28d强度分别为基准配合比的105.6%、103.8%和103.9%。

5.1.3 劈裂抗拉强度

按照《水运工程混凝土试验规程》的规定，分别测定各方案、不同龄期的混凝土劈裂抗拉强度。具体数据见表7及图4。

图4 不同硅粉掺量下混凝土劈裂抗拉强度

由表7及图4看出，掺入硅粉后，混凝土的劈裂抗拉强度均高于不掺硅粉。硅粉掺量为7%时，1d、3d、28 d 的劈裂抗拉强度比基准混凝土分别提高了21.8%、17.2%和15.4%，且早期提高幅度最大，这对于结构的早期施工非常有利。硅粉掺量超过7%后，无论是1d、3d还是28d的强度，劈裂抗拉强度出现下降现象。由此可见，硅粉掺量在4%～7%时，非常有利于提高混凝土的劈裂抗拉强度。

表8 混凝土28d电通量

5.1.4 电通量

为了延长结构的使用寿命，对于水工及海港工程，混凝土的抗渗性以及抗氯离子渗透性能的好坏显得尤为重要。因此根据《 水运工程混凝土质量控制标准》规范附录A进行电通量试验，具体结果见表8和图5。

图5 不同硅粉掺量下混凝土28d电通量

通过试验发现，随着硅粉的掺加，28d电通量分别比基准配合比降低34.3%、51.1%、59.7%、65.9%。这说明硅粉的掺入可大幅度提高混凝土的密实性，从而有利于提高混凝土的抗氯离子的渗透性能。但随着硅粉取代水泥掺量的增大，混凝土的电通量降低幅度逐渐减小。

5.2 试验分析

5.2.1 硅粉对混凝土拌合物性能的影响

由图2看出，硅粉掺量不大于7%时，混凝土的坍落度比基准配合比有所增大，当掺量大于7%时，混凝土的坍落度出现显著下降。说明硅粉在一定掺量条件下可以改善混凝土的坍落度，发挥了硅粉的物理填充效应。但硅粉的掺量达到13%时，混凝土坍落度下降更为明显。

5.2.2 硅粉对混凝土抗压的影响

由图3可知，在混凝土中掺入硅粉、矿渣粉时，混凝土的抗压强度由硅粉和矿渣粉共同作用。硅粉决定混凝土的早期强度，在允许范围内硅粉掺量越大，抗压强度越高于基准配合比；在28d龄期时，掺硅粉混凝土的强度仍然高于基准配合比，说明硅粉对提高混凝土的后期强度仍然有效。同时，硅粉以及矿渣粉的掺量不能超过一定的界限。

5.2.3 硅粉对混凝土劈裂抗拉强度的影响

从表7看出，混凝土中掺入硅粉后，混凝土的劈裂抗拉强度均高于不掺硅粉，但掺量达到7%后，劈裂抗拉强度出现下降现象。所以在需要通过掺加硅粉改善混凝土的劈裂抗拉强度时，硅粉的掺量宜控制在4%～7%这一范围。

5.2.4 硅粉对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

由表8看出，混凝土28d的电通量随着硅粉掺量的提高呈现下降趋势，这表明硅粉的掺入提高了混凝土的密实性，对提高混凝土抗氯离子渗透性能非常有利。但在硅粉掺量达到 10%时，混凝土电通量的曲线变缓，说明硅粉的掺量有其合理掺量范围；掺量不宜过大，并与矿粉复掺效果更好。

6 小结

我们通过在 C80PHC管桩混凝土中掺入硅粉的试验，可以看出，硅粉的适量掺加可以改善混凝土的工作性和混凝土的强度、耐久性等性能。同时，硅粉又属工业废料，有利于环境保护和降低造价，符合当今绿色混凝土的理念。综上所述，硅粉对于PHC管桩的现实意义有以下方面：

（1）在施工条件特殊的情况下，可以通过掺加硅粉来改善混凝土的工作性能。如对直径1.2mC型等特殊要求的PHC管桩可以通过掺加硅粉来提高混凝土的坍落度，满足施工要求。

（2）在高强高性能混凝土中掺入一定量的硅粉，混凝土的抗压强度会有所增长。

（3）混凝土中硅粉掺量控制在 4%～7%时，对改善混凝土的劈裂抗拉强度非常有利；这对于提高PHC管桩抗击打能力非常有利；

（4）混凝土中掺入一定的硅粉，能降低混凝土的结构孔隙率，改善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性，对水工或海港工程混凝土的抗氯离子渗透性能改善非常有利。

本次试验为今后特殊工程桩基需要做好了技术储备，今后我们还将对硅粉在PHC管桩中应用的经济性开展进一步分析。

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1007-6344（2016）06-0096-02

张亚琴，女， 1980.08，东南大学，建筑材料检测与制品工艺专业，14年，现主要从事路桥用原材料、水泥混凝土、沥青混凝土、土工等试验检测工作。对施工中的混凝土质量控制及耐久性方面有很好的见解，对新材料在混凝土中的应用进行了一些试验研究。主要论文论著：《EDTA二钠在水泥稳定碎石中滴定方法的试验研究》，《混凝土碳化的影响因素及处理措施》等